DE4203035A1 - Verfahren zur bestimmung der restlebensdauer von kleinbauteilen durch neutronen-kleinwinkelstreuung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Bestimmung der Kriechdehnung (ε) als Maß für die noch zur Verfügung stehende Restlebensdauer von be­ triebsbelasteten Kleinbauteilen aus Legierungen durch Neutronen-Kleinwinkelstreuung (SANS).

Die Betriebskosten einer Anlage, besonders bei stationären Turbinen und Flugtriebwerken, werden in erheblichem Umfang von der Einsatzzeit der Bau­ teile z. B. der Turbinenschaufeln bestimmt. Hohe Kosten entstehen zusätzlich bei den Inspektionen, die u. a. bei Flugturbinen nach vergleichsweise kur­ zen Intervallen vorgeschrieben sind.

Bei Turbinenschaufeln wird die zulässige Betriebs­ dauer einerseits durch die Änderung der Geometrie und daher durch die integrale Kriechdehnung, anderer­ seits durch überschreiten der Zeitstandfestigkeit bestimmt, die mit der lokalen Kriechdehnung kor­ reliert ist. Die die Restlebensdauer eines Bauteils bestimmende lokale Kriechdehnung kann jedoch nicht gemessen werden. Ebensowenig ist eine hinreichend genaue Berechnung möglich, da die zeitabhängigen thermomechanischen Belastungen, z. B. wegen Belastungs­ transienten bei An- und Abfahrvorgängen, nicht genau bekannt sind. Zum Teil müssen daher nach vorgege­ benen Prüfungsintervallen zerstörende Untersuchun­ gen an Teilmengen von Bauteilen durchgeführt werden, die zu höherem Stückzahlbedarf führen. Außerdem ist die Übertragbarkeit der Prüfergebnisse auf die unge­ prüften Komponenten nicht garantiert.

Als zerstörungsfreies Prüfverfahren wurden in einem Vortrag von P. Krautwasser u. a. anläßlich der Me­ tallographie-Tagung vom 11.-13. 09. 1991 in Frie­ drichshafen SANS-Messungen vorgestellt, bei denen die relative Streuintensität von Turbinenschaufeln bei einem festen Streuwinkel (auch als Impulsüber­ trag bezeichnet) q = 0,9 nm^-1 bestimmt und die zu­ gehörige Restlebensdauer der Untersuchungsproben über eine mit Vergleichsproben aufgenommene Eich­ kurve für die Kriechdehnung in Abhängigkeit von der, an Proben nach unterschiedlichen Standzeiten mit vorgegebener Last und Temperatur (110 MPa und 950°C) gemessenen Streuintensität bei q=0,9 nm^-1 ermittelt werden soll.

Neuere Untersuchungen haben jedoch gezeigt, daß auf diese Weise ermittelte Restlebensdauern mit erheb­ lichen Unsicherheiten behaftet sind, da je nach vor­ gegebenem Spannungswert der Zeitstandbelastung un­ terschiedliche SANS-Intensitätswerte für eine be­ stimmte Kriechdehnung erhalten werden, so daß bei unbekannter Vorgeschichte des Prüflings keine brauch­ baren Aussagen gemacht werden können.

Ziel der Erfindung war daher eine Verbesserung des Prüfverfahrens durch eine angemessenere Auswahl von Bestimmungsgrößen und Abwandlung der Art der Eich­ kurven.

Das zu diesem Zweck entwickelte erfindungsgemäße Verfahren der eingangs genannten Art ist im wesent­ lichen dadurch gekennzeichnet, daß man den Streu­ winkel q_max für den Maximalwert des Quotienten aus den am Ort höchster Lasteinwirkung in Belastungs­ richtung und senkrecht dazu gemessenen Streuinten­ sitäten ermittelt und die zugehörige probenspezi­ fische Kriechdehnung aus einer mit Vergleichsproben aufgenommenen Eichkurve für q_max = f(ε) entnimmt.

Von besonderem Interesse im Zusammenhang mit der Erfindung sind Bestimmungen an Turbinenschaufeln bzw. Messungen an Kleinbauteilen aus Nickelbasis­ legierungen insbesondere ausscheidungsverfestigten Nickelbasislegierungen.

Eine weitere Optimierung der Bewertung von Prüfkör­ pern aufgrund von Neutronen-Kleinwinkelstreuung kann durch ergänzende Präzisierung der Eichkurven für Lasteinwirkungen bei unterschiedlichen Tempera­ turen erreicht werden.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist nicht nur für die Ermittlung der Restlebensdauer von betriebsbe­ lasteten Bauteilen geeignet, sondern auch für die Qualitätskontrolle neuer Bauteile einsetzbar.

Auch kann erfindungsgemäß der Erfolg einer Regene­ rierung von betriebsbelasteten Kleinbauteilen durch eine HIP-Behandlung kontrolliert werden.

Nachfolgend wird das Prüfverfahren mehr im Detail beschrieben. Dabei wird auf die angefügten Diagramme Bezug genommen; es zeigen:

Fig. 1 die Neutronen-Streuintensitäten parallel und senkrecht zur Hauptspannungsrichtung als Funktion des Streuwinkels q (Streukurve) für eine Probe mit 7,65 % Kriechdehnung;

Fig. 2 den Quotienten der Streuintensitäten als Funktion des Streuwinkels für Proben mit 1,01 und 7,65 % Kriechdehnung (Best. von q_max);

Fig. 3 Kurven für q_max in Abhängigkeit von der Kriechdehnung (Eichkurven) und

Fig. 4 Vergleichskurven für die Kriechdehnung als Funktion der normierten Streuintensität bei q=0,9 nm^-1(bekannte Prüfmethode).

In einer typischen Anlage für Neutronen-Kleinwinkel­ messungen werden Neutronen einer Wellenlänge im Be­ reich von 0,4-1,4 nm angewandt und die Intensität der gestreuten Neutronen in Abhängigkeit vom Streu­ winkel q im Bereich von 0,02 bis 1,2 nm^-1 mit einem zweidimensional-ortempfinglichen Detektor oder zwei ortogonal positionierten linear-ortsempfindlichen Detektoren ermittelt.

Die Dicke der Prüfkörper liegt im allgemeinen im Bereich von 1 bis 20 mm und die Länge bis zu 2 m.

Die Streumessungen werden am Ort der höchsten thermo­ mechanischen Belastung eines Bauteils durchgeführt, der durch die Auslegung vorgegeben ist. An dieser Stelle wird die Neutronen-Streuintensität parallel und senkrecht zur aufgetretenen Hauptspannungsrich­ tung in Abhängigkeit vom Streuwinkel q ermittelt (Fig. 1). Weist das noch unbelastete, neue Bauteil eine rich­ tungsabhängige, anisotrope Neutronenstreuung auf, werden die Intensitätsverteilungen (Streukurven) der betriebsbelasteten Bauteile parallel und senk­ recht zur Hauptspannungsrichtung durch die entsprech­ enden Intensitätsverteilungen des neuen, unbelastet­ en Bauteils dividiert und die so gebildete Streu­ intensitätsrelation in Abhängigkeit vom Streuwinkel aufgetragen.

Der Quotient aus beiden Intensitätsverteilungen des betriebsbelasteten Bauteils parallel und senkrecht zur Hauptspannungsrichtung wird in Abhängigkeit vom q-Wert aufgetragen (Fig. 2) und so der im Bereich von 0,2 q 1,0 nm^-1 liegende Wert q_max gefunden.

Mit diesem Wert q_max wird dann an Hand der Eich­ kurve (Fig. 3) die entsprechende lokale Kriechdeh­ nung an der Meßstelle des Bauteils ermittelt.

Dieses Diagramm ermöglicht insbesonders im techno­ logisch relevanten Kriechdehnungsbereich zwischen ca. 1 und 6 % eine hinreichend genaue Bestimmung der lokalen Kriechdehnung in dem Bauteil, weitgehend unabhängig von der verursachenden Spannung.

Die mit analogen Prüfkörpern nach bekannter Methode aufgenommenen Kurven für die bei konstantem Streu­ winkel (q = 0,9 nm^-1) gemessene normierte SANS-Inten­ sität in Abhängigkeit von der Kriechdehnung der Probe zeigt dagegen keine gesicherte Zuordnung des SANS- Signals zum Verbrauch an Einsatzdauer (Kriechdeh­ nung) der Probe (Fig. 14).

Claims (6)

1. Verfahren zur Bestimmung der Kriechdehnung (ε) als Maß für die noch zur Verfügung stehende Restlebens­ dauer von betriebsbelasteten Kleinbauteilen aus Le­ gierungen durch Neutronen-Kleinwinkelstreuung (SANS) dadurch gekennzeichnet, daß man den Streuwinkel q_max für den Maximalwert des Quotienten aus den am Ort höchster Lasteinwir­ kung in Belastungsrichtung und senkrecht dazu gemes­ senen Streuintensitäten ermittelt und die zugehörige Probenspezifische Kriechdehnung aus einer mit Ver­ gleichsproben aufgenommenen Eichkurve für q_max = f(ε) entnimmt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man die Bestimmung an Turbinenschaufeln als Kleinbauteile vornimmt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß man Bauteile aus Nickelbasislegierungen über­ prüft.

4. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Werte der Eichkurve für q_max = f(ε) mit bei unterschiedlichen Temperaturen belasteten Proben aufgenommen worden sind.

5. Anwendung des Verfahrens nach einem der vorangehen­ den Ansprüche für die Qualitätskontrolle neuer Bau­ teile.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Restlebensdauer von betriebsbelasteten Kleinbauteilen nach einer regenerierenden HIP-Be­ handlung ermittelt wird.